OPTIMASI GENETIC ALGORITHM DENGAN SIMULATED ANNEALING UNTUK MULTIPLE DEPOT CAPACITATED VEHICLE ROUTING PROBLEM

Transkripsi

1 OPTIMASI GENETIC ALGORITHM DENGAN SIMULATED ANNEALING UNTUK MULTIPLE DEPOT CAPACITATED VEHICLE ROUTING PROBLEM Aditya Permana 1, Mahmud Dwi Sulistiyo 2, Gia Septiana Wulandari 3 1,2,3 Prodi S1 Teknik Informatika, Fakultas Informatika, Universitas Telkom 1 adityapermana22@gmail.com, 2 mahmuddwis@telkomuniversity.ac.id, 3 gia.septiana@gmail.com Abstrak Multiple Depot Capacitated Vehicle Routing Problem (MDCVRP) adalah pengembangan dari Vehicle Routing Problem (VRP). Tujuan objektifnya adalah mencari rute kendaraan dengan biaya termurah dari depot ke setiap pelanggan yang harus dikunjungi. Pada MDCVRP, permasalahan bertambah dengan bertambahnya jumlah depot dan adanya constraint tambahan berupa batas kapasitas kendaraan. Secara matematis, MDCVRP ini merupakan permasalahan kombinatorial yang termasuk ke dalam kategori NPhard (non-deterministic polynomial-time hard). Pada penelitian ini, digunakan Genetic Algorithm (GA) yang dioptimasi oleh algoritma Simulated Annealing (SA) dalam menyelesaikan permasalahan MDCVRP. Pada dasarnya, GA sudah cukup bagus dalam menyelesaikan berbagai permasalahan kombinatorial. Namun, kekurangannya adalah adanya kemungkinan GA dalam proses pencariannya terjebak dalam kondisi optimal lokal. Untuk mengatasi kekurangan tersebut, SA hadir untuk mengoptimalkan performansi GA agar terhindar dari konvergensi prematur karena terjebak dalam optimum lokal sehingga hasil yang diperoleh menjadi lebih baik. Observasi telah dilakukan beberapa kali sehingga mendapatkan setting terbaik untuk beberapa parameter yang berpengaruh terhadap sistem. Dari hasil percobaan, terbukti bahwa penerapan SA untuk mengoptimaasi GA selalu dapat menaikkan performansi sistem sebesar sekitar 1-2%. Dari keseluruhan pengujian yang telah dilakukan, performansi terbaik yang dihasilkan oleh sistem mencapai 94.51%. Kata kunci : Multiple Depot, Vehicle Routing Problem, Genetic Algorithm, Simulated Annealing 1. Pendahuluan Lingkungan bisnis global dengan mobilitas yang tinggi menuntut perusahaan pengiriman barang untuk semakin lebih efisien dalam mengatur arus pengiriman barang. Perusahaan pengiriman barang memiliki peran yang sangat penting dalam memastikan kelancaran pengiriman barang yang sangat kompleks. Dengan tingginya ongkos transportasi, dibutuhkan sebuah strategi untuk melakukan pengaturan rute pengiriman barang. Permasalahan ini bisa dikategorikan kedalam permasalahan Vehicle Routing Problem (VRP). VRP adalah permasalah di mana terdapat beberapa klien yang berada di lokasi berbeda, kemudian terdapat sebuah kendaraan dari depot yang bertugas untuk mendatangi lokasi dari setiap klien tersebut. Tujuan objektif dari permasalahan VRP adalah bagaimana mengatur rute untuk mendatangi lokasi dari setiap klien sehingga jarak tempuh dengan rute yang dibentuk menjadi seminimal mungkin [6]. Terdapat beberapa jenis permasalahan dari VRP ini, salah satunya adalah yang ditangani pada penelitian ini, yaitu Multiple Depot Capacitated Vehicle Routing Problem (MDCVRP). MDCVRP merupakan permasalahan khusus VRP, di mana jumlah depotnya lebih dari satu dan dengan tambahan constraint bahwa setiap kendaraan memiliki batas kapasitas berat. Secara matematis MDCVRP ini dapat dimodelkan menjadi permasalahan kombinatorial jika diselesaikan dengan pendekatan komputasi. Kompleksitas komputasi dari MDCVRP termasuk ke dalam kelas NP-hard (nondeterministic polynomial-time hard), sehingga waktu komputasi yang dibutuhkan untuk melakukan pencarian solusi dengan menggunakan algoritma deterministik akan membutuhkan waktu yang sangat lama [2]. Oleh karenanya, diperlukan sebuah algoritma yang bersifat heuristik untuk memecahkan permasalahan kombinasi pada MDCVRP dengan cepat, seperti Genetic Algorithm (GA) dan Simulated Annealing (SA). GA merupakan algoritma pencarian yang diadaptasi dari proses genetika dan evolusi pada makhluk hidup. Sedangkan SA merupakan algoritma pencarian yang diadaptasi dari bidang metalurgi saat proses pembentukan kristal. Kelebihan pada GA adalah kemampuannya yang baik dan cepat dalam mencari solusi optimal dalam ruang solusi yang sangat besar. Namun, GA memiliki kekuranganm yaitu ada kemungkinan terjebak pada optimum lokal sehingga hasilnya akan kurang optimal [3]. Adapun SA dalam proses pencariannya memiliki kemampuan yang baik untuk terhindar dari solusi optimum lokal [5]. 62

2 GASA yang merupakan hybrid antara algoritma GA dan SA akan digunakan untuk permasalah MDCVRP ini. Algoritma tersebut menerapkan kelebihan dari SA untuk menutupi kelemahan dari GA. Sebagaimana pada GA, GASA menerapkan operator-operator evolusi, seperti rekombinasi, mutasi dan seleksi individu. Adapun variabel suhu digunakan untuk menentukan jumlah iterasi dan probabilitas pergantian individu terbaik yang sudah mulai jenuh. Saat penerapan algoritma GASA untuk permasalahan MDCVRP ini, akan muncul permasalahan dalam menentukan nilai parameter-parameter yang berpengaruh pada GA maupun SA. Oleh karena itu, dibutuhkan sebuah obervasi untuk mendapatkan nilai parameter-parameter yang optimal untuk GASA. Penentuan nilai dari parameter-parameter tersebut akan mempengaruhi solusi akhir dari GASA dalam menyelesaikan MDCVRP. 2. Multiple Depot Capacitated Vehicle Routing Problem (MDCVRP) Multiple Depot Capacitated Vehicle Routing Problem (MDCVRP) merupakan variasi dari permasalahan dari VRP yang memiliki lebih dari 1 depot dan diberi tambahan constraint berupa kapasitas angkut kendaraan. Tujuan utamanya adalah sama, yaitu mencari rute terpendek untuk memenuhi semua permintaan pelanggan. Secara matematis, permasalahan ini dapat digambarkan dengan representasi undirected graph G = (V,E), di mana V = {0,1,2,3,4,,N} adalah himpunan node yang menunjukkan lokasi dari depot dan pelanggan, sedangkan E merupakan himpunan edges yang menunjukkan jalan penghubung antar lokasi. Gambar 1 Ilustrasi MDCVRP Tujuannya adalah sebagai berikut, yaitu mencari nilai minimum dari : Min C. V (1) dan dibatasi oleh constraint berikut : q + q Q, 1 k K (2) N adalah jumlah node, K adalah jumlah kendaraan yang digunakan, C_ij menyatakan jarak antara node i dan node j. V_ij k menyatakan nilai apakah terdapat rute dari node i ke node j pada kendaraan ke-k; jika iya, maka nilainya = 1; sebaliknya nilainya = 0. q_i adalah berat dari barang ke-i dan Q k adalah kapasitas maksimum dari kendaraan k. Secara matematis, kompleksitas permasalahan dari MDCVRP ini termasuk ke dalam kelas NP-Complete, sehingga jika diselesaikan dengan menggunakan algoritma klasik (berbagai algoritma berbasis deterministik) akan membutuhkan waktu yang sangat lama. Oleh sebab itu, diperlukan solusi menggunakan algoritma heuristik berbasis probabilistik untuk menyelesaikan permasalahan ini dengan lebih efisien. 3. Metode dan Rancangan Sistem 3.1 Optimasi Genetic Algorithm dengan Simulated Annealing Optimasi Genetic Algorithm dengan Simulated Annealing (GASA) adalah algoritma yang merupakan hybrid antara dua jenis algoritma yaitu Genetic Algorithm (GA) dan Simulated Algorithm (SA) [8]. Proses dan elemen-elemen yang ada di dalamnya pun berdasarkan kedua algoritma tersebut. GA merupakan algoritma yang pencarian sangat cepat untuk menemukan solusi yang mendekati optimal, meski diberikan ruang solusi yang 63

3 sangat besar. Namun, dalam proses pencariannya, ada kemungkinan bahwa GA akan terjebak dalam solusi optimum lokal, sehingga solusi hasil pencariannya tidak akan optimal. Di sisi lain, SA merupakan algoritma pencarian yang memiliki kelebihan untuk bisa keluar dari solusi optimum lokal. Oleh karenanya, SA akan cocok bila dipadukan GA untuk mengoptimalkan hasil pencarian GA. Berikut adalah algoritma dari GASA yang diterapkan pada penelitian ini [1][8]. 1. Inisialisasi T yaitu nilai dari temperatur. 2. Inisialisasi populasi sebanyak N kromosom secara acak. 3. Hitung nilai fitness dari masing-masing kromosom. 4. Pilih sebanyak M kromosom dengan metode Roulette Wheel dari N kromosom untuk dimasukan ke dalam mating pool. 5. Lakukan proses rekombinasi pada kromosom baru hasil rekombinasi yang berada dalam mating pool tersebut. 6. Lakukan proses mutasi pada M dengan nilai fitness terendah pada kromosom baru dengan dengan probabilitas PM. 7. Hitung nilai fitness dari masing-masing kromosom baru. 8. Pilih sebanyak N kromosom terbaik dari N kromosom pada populasi sebelumnya dan dari kromosomkromosom baru untuk dijadikan sebagai populasi baru. 9. Jika solusi terbaik tidak berubah selama beberapa generasi : Gantikan kromosom terbaik dari populasi dengan kromosom dengan probabilitas exp(- E/T), walaupun kromosom baru ini lebih buruk. E adalah perbedaan nilai fitness antara kromosom terbaik dari populasi dan kromosom baru yang dipilih. 10. Kurangi nilai T. 11. Proses selesai jika nilai jumlah iterasi sudah terpenuhi. 12. Ulangi tahap 3. Adapun berikut alur proses yang diterapkan pada sistem yang dibangun. 3.2 Grouping Gambar 2 Alur Proses pada GASA yang Diterapkan pada Sistem 64

4 Tahap ini merupakan proses pengelompokan titiktitik customer ke setiap depot yang akan melayaninya. Customer dilayani di suatu depot jika jarak dari customer ke depot tersebut adalah jarak yang terdekat jika dibandingkan dengan jarak ke depot-depot lainnya. Proses ini dilakukan untuk mengefisiensi (mengurangi ruang pencarian) proses pencarian rute terbaiknya. Gambar 3 Ilustrasi Proses Grouping Hasil dari proses grouping ini adalah diperolehnya D jenis kromosom (D adalah banyaknya depot) yang akan diproses secara terpisah untuk mendapatkan solusi terbaik. 3.3 Representasi Solusi Gambar 4 Hasil Proses Grouping yaitu D Jenis Kromosom Setelah mendapatkan sebanyak D jenis kromosom, setiap jenis kromosom tersebut akan diproses oleh GASA untuk mendapatkan solusi optimalnya. Solusi yang diambil adalah gabungan D kombinasi jenis kromosom yang paling optimal. Panjang kromosom bersifat dinamis karena tergantung jumlah keseluruhan customer yang akan dilayani. Representasi kromosom yang digunakan adalah representasi permutasi, yang panjangnya adalah L_d (L_d merupakan jumlah customer yang dilayani oleh depot d). Sebagai contoh, terdapat sebuah depot d yang berlokasi di (0, 0) dan tabel berikut menunjukan daftar customer mana saja yang akan dilayani oleh depot d tersebut. Tabel 1 Contoh Input Customer untuk Depot d Node q i x i y i Dari tabel 1 di atas, node menyatakan id customer, q_i menyatakan berat barang yang akan disampaikan ke node i, serta x dan y yang menyatakan lokasi kordinat x dan y dari node i. Adapun jarak antar node atau Dist(i,j) akan dihitung dengan menggunakan rumus Euclidan Distance sebagai berikut. Dist(i, j) = (x x ) + (y y ) (3) 65

5 Misalnya, masih menggunakan contoh sebelumnya, depot d memiliki 3 truk dengan daya tampung maksimal setiap truk tersebut adalah 8 satuan. Kemudian, misalnya pada iterasi tertentu, terdapat salah satu kromosom yang nilainya sebagai berikut. Gambar 5 Representasi Kromosom Hasil dekode dari kromosom di atas, yaitu berupa urutan rute kendaraan yang akan dikunjungi oleh setiap truk dengan cara greedy, adalah sebagai berikut. Dari hasil dekode ini, dilakukan perhitungan total cost untuk mendapatkan nilai fitness dari kromosom yang didekode tersebut. 3.4 Fungsi Fitness Tabel 2 Rute Setiap Truk Hasil Dekode Kromosom yang Dicontohkan Truk Rute Total berat Total Jarak Parameter yang perlu diperhatikan untuk mendapatkan nilai evaluasi setiap individu (fitness) pada kasus MDCVRP pada penelitian ini adalah total jarak tempuh yang dilalui oleh kendaraan dan dibandingkan dengan Best Known Solution yang informasinya sudah diperoleh dari dataset. Berikut fungsi fitness yang dimaksud [4]. f =.. 100% (4) di mana : f = nilai fitness K = jumlah kendaraan yang digunakan N = jumlah node (depot dan pelanggan) C = jarak antara node i dan node j V = representasi rute kendaraan k, apa ada rute dari node i ke node j Bk = Best Known Solution Dari fungsi tersebut dapat kita lihat bahwa semakin kecil total jarak yang ditempuh, maka nilai fitness yang didapatkan untuk sebuah kromosom akan semakin besar. 4. Pengujian Sistem A> Dataset yang digunakan sebagai input pada pengujian sistem ini adalah dataset dari Cordeau [7]. Dataset tersebut terdiri dari beberapa atribut, yaitu (1) Jumlah depot dan pelanggan, (2) Jumlah kendaraan, (3) Kapasitas kendaraan, (4) Kordinat lokasi dari tiap depot dan pelanggan, dan (5) Berat barang tiap pelanggan di setiap node. Pada pengujian ini, akan digunakan tiga buah dataset dengan jumlah kendaraan, jumlah customer, dan jumlah depot yang berbeda. Ketiga dataset tersebut dipilih karena telah digunakan pada beberapa penelitian sebelumnya yang berkaitan dengan penyelesaian masalah MDCVRP [7]. Tabel 3 Dataset Cordeau yang Digunakan untuk Pengujian Sistem Jenis dataset Jumlah Customer Jumlah Depot Kapasitas Maksimum Tiap Truk Jumlah Kendaraan (tiap depot) Best Known Solution p P P

6 Tujuan utama dilakukannya pengujian di sini ialah untuk melihat pengaruh diterapkannya SA untuk mengoptimasi performansi yang ditunjukkan oleh GA. Jika hasilnya lebih baik, maka dikatakan SA efektif dalam menyelesaikan salah satu permasalahan pada GA selama proses pencarian solusi. Selain itu, dikarenakan tidak adanya informasi yang baku mengenai setting parameter pada GASA, maka sebelumnya telah dilakukan observasi terhadap nilai-nilai yang terbaik untuk setiap parameter yang berpengaruh pada algoritma GA dan SA. Oleh karenanya, pada pengujian ini nilai-nilai parameter hasil observasi tersebut digunakan. Tabel 4 Setting Parameter GA Parameter Nilai Jumlah Populasi 100 Seleksi Survivor Roulette wheel (Linear Ranking) Crossover Order Crossover Mutasi Scramble Mutation Λ 20 P c 1 P mut 0.1 S 1.2 Tabel 5 Solusi Rata-rata GA untuk Masing-masing Dataset Dataset Jumlah Jarak Tempuh Fitness Waktu Best Known Generasi Rata-rata Rata-rata (detik) Solution* p % p % p % Adapun untuk GASA, yaitu GA yang dioptimalisasi dengan SA, berikut nilai-nilai parameter yang digunakan beserta hasilnya. Tabel 6 Setting Parameter GASA Parameter Setting Jumlah Populasi 100 Seleksi Survivor Roulette wheel (Linear Ranking) Crossover Order Crossover Mutasi Scramble Mutation Λ 20 P c 1 P mut 0.1 S 1.2 T Cool P g 0.1 Tabel 7 Solusi Rata-rata GASA untuk Masing-masing Dataset Dataset Jumlah Jarak Tempuh Fitness Waktu Best Known Generasi Rata-rata Rata-rata (detik) Solution* p % p % p % Dari tabel-tabel hasil solusi rata-rata yang dihasilkan baik oleh GA maupun GASA, terlihat bahwa fitness rata-rata yang diperoleh sudah cukup bagus. Meskipun demikian, jumlah customer pada dataset juga ikut berpengaruh, di mana pada p06 yang memiliki jumlah customer paling banyak, diperoleh nilai fitness rata-rata yang selalu terrendah dibandingkan pada kedua data lainnya. Hal ini jelas bahwa semakin banyak jumlah customer, maka semakin besar ruang pencariannya, sehingga semakin sulit solusi terbaik untuk ditemukan. Berikut grafik yang menunjukkan perbandingan hasil terbaik yang diperoleh menggunakan GA maupun GASA untuk masing-masing dataset. 67

7 Gambar 6 Grafik Perbandingan Nilai Fitness Terbaik antara GA dan GASA Dari gambar 6 terlihat bahwa solusi terbaik yang dihasilkan GA yang dioptimalisasi oleh SA selalu lebih baik dibandingkan hanya menggunakan GA untuk semua dataset. Peningkatan performansi berdasarkan hasil percobaan tersebut terlihat sebesar sekitar 1-2% untuk masing-masing dataset. 5. Kesimpulan dan Saran Kesimpulan dari penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, Genetic Algorithm terbukti mampu mencari solusi untuk kasus MDCVRP dengan nilai fitness diatas 90% untuk semua dataset yang tersedia, di mana hasil terbaik yang diperoleh mencapai 93.65%. 2. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, algoritma Simulated Annealing terbukti mampu meningkatkan performansi Genetic Algorithm, sehingga hasil yang diperoleh naik sekitar 1-2%. Adapun hasil terbaik yang diperolehnya adalah 94.51% Untuk pengembangan sistem lebih lanjutnya dapat dilakukan hal berikut. 1. Dengan optimasi Simulated Annealing pada Genetic Algorithm, maka perlu dicoba untuk mengoptimalisasi Genetic Algorithm dengan algoritma optimasi lainnya sehingga hasilnya dapat lebih baik lagi. 2. Pada kasus nyata, fairness dari rute yang ditempuh oleh setiap truk adalah hal yang perlu diperhatikan, karena hal ini mampu mengoptimalkan waktu selesainya pengiriman barang ke customer. 3. Meminimalisasi jumlah penggunaan truk yang digunakan akan mampu memangkas biaya dari pengiriman semua barang ke semua customer. Daftar Pustaka: [1] Tamilarasi and kumar, T. Anantha An Enhanced Genetic Algorithm with Simulated Annealing for Job-shop Scheduling. International Journal of Engineering, Science and Technology, Vol. 2, No. 1, 2010, pp [2] Bashiri, Mahdi and Fallahzade, Ehsan A Particle Swarm Optimization Algorithm For Multi-Depot Capacitated Location-routing Problem With Inventory Decision In Supply Chain Network Design. CIE42 Proceedings, July 2012, Cape Town, South Africa 2012 CIE & SAIIE. [3] D.E. Goldberg Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning. Addison- Wesley. Reading, Massachusetts. [4] Reno Aditya Putra Penyelesaian Capacitated Vehicle Routing Problem Menggunakan Algoritma Evolution Startegies. Fakultas Informatika IT Telkom, Bandung, Indonesia. [5] S. Kirkpatrick, C.D. Gelatt Jr., M.P.Vecchi. Optimization by Simulated Annealing. Science 220 (4598) (1983) [6] Sombuntham, Pandhapon and Kachitvichayanukul, Voratas A Particle Swarm Optimization Algorithm for Multi-depot Vehicle Routing problem with Pickup and Delivery Requests. International MultiConference of Engineers and Computer Scientists 2010 Vol III, IMECS 2010, March 17-19, 2010, Hongkong. 68

8 [7] Surekha P and S.Sumathi. Solution To Multi-Depot Vehicle Routing Problem Using Genetic Algorithms. World Applied Programming. Vol (1), No (3), August , [8] Suyanto Evolutionary Computation: Komputasi Berbasis Evolusi dan Genetika. Penerbit Informatika, Bandung. 69